LTE移动通信系统第3章 MIMO多天线技术
无线通信如何利用多天线技术提高无线信号覆盖范围
无线通信如何利用多天线技术提高无线信号覆盖范围无线通信技术的迅速发展使得人们在日常生活中享受到了便捷的移动通信服务。
然而，由于无线信号传输的特点，信号覆盖范围受到了限制，导致一些地区无法正常连接网络。
为了解决这一问题，无线通信系统利用多天线技术已成为提高信号覆盖范围的有效手段。
本文将详细介绍无线通信如何利用多天线技术提高无线信号覆盖范围。
一、多天线技术简介多天线技术，又被称为MIMO（Multiple Input Multiple Output），是指在无线通信系统中，同时利用多个天线进行信号传输和接收的技术。
与传统的SISO（Single Input Single Output）技术相比，MIMO技术能够显著提高无线信号传输的效果，包括信号的覆盖范围、速率和可靠性。
二、MIMO技术原理与优势MIMO技术通过在发送端和接收端分别配置多个天线，实现多个信号的并行传输，并通过信道矩阵的运算将这些信号分离开来。
具体而言，MIMO技术可以利用空间分集、空间复用等技术手段，提高信号的容量和抗干扰能力。
1. 空间分集空间分集是指利用多个天线接收到的多个信号，经过信道矩阵的计算和处理，将原本相互干扰的信号分离开来。
通过空间分集技术，可以提高信号的可靠性和鲁棒性，从而实现更广泛的无线信号覆盖范围。
2. 空间复用空间复用是指利用多个天线发送不同的信号，通过信道矩阵的计算和处理，将这些信号同时传输到不同的接收终端。
通过空间复用技术，可以提高信号的容量和传输速率，进一步扩大无线信号的覆盖范围。
MIMO技术在无线通信领域具有以下优势：1. 提高信号覆盖范围通过利用多个天线进行信号传输和接收，MIMO技术能够有效抵抗传输过程中的多径效应，减少信号的衰减和干扰，从而提高信号的覆盖范围。
特别是在城市高楼、山区等信号受阻的区域，MIMO技术能够克服传统无线通信系统的信号衰减问题，实现更广泛的信号覆盖。
2. 提升信号传输速率MIMO技术通过并行传输多个信号，利用空间复用技术提高信号的传输速率。
MIMO技术介绍
6
MIMO
2 MIMO系统的信号设计和信号处理 MIMO信道的识别、对于己知信道应如何设计最佳 发送信号—设计出适合于大多数信道模型的通用信号、 接收端信号处理如何对应信号设计，这些都是实际可用
的MIMO系统必须考虑的问题。使用最优的发送信号方
案，可以大大简化对接收信号的处理。一旦发送方案确 定，就可以确定各种接收端的结构，当前的研究热点是
这种技术是在收发两端使用阵列天线的多输入多输出
(MIMO)和正交频分 复用(OFDM)。该系统使用3对收发 天线，每对收发天线可以实现54 M b it/s的传输速率。 这是日前MIMO + OFDM技术所表现的强大的应用潜力。 IEEE 802 11a 11g都是以OFDM作为核心技术，而IEEE 802 16系列则是以MIMO+ OFDM技术为核心。
优势
基本原理
3
MIMO
网络资料通过多重切割之后，经过多重天线进行同步传送，由于无线讯号在传
送的过程当中，为了避免发生干扰起见，会走不同的反射或穿透路径，因此到达接 收端的时间会不一致。为了避免资料不一致而无法重新组合，因此接收端会同时具 备多重天线接收，然后利用DSP重新计算的方式，根据时间差的因素，将分开的资 料重新作组合，然后传送出正确且快速的资料流。
MIMO作为无线高速数据传输的关键技术，其理论、性能、算法和实现的各方面
研究方向
6
MIMO
1 信道建模和信道容量 研究MIMO技术时必须考虑信道模型和信道容量。
实现MIMO系统实际增益的关键在于建立更准确的信道
模型，在对MIMO信道容量进行研究时，应该考虑多径， 考虑衰落之间的相关性对信道容量的影响。
THE END
谢谢
LTE的关键技术MIMO
MIMO 技术的关键是有效避免天线之间的干扰，以区分多个并行数据流。
众所周知，在水平衰落信道中可以实现更简单的MIMO 接收。
而在频率选择性信道中，由于天线间干扰和符号间干扰混合在一起，很难将MIMO 接收和信道均衡分开处理。
如果采用将MIMO 接收和信道均衡混合处理的MIMO 接收均衡的技术，则接收机会比较复杂。
因此，由于每个OFDM 子载波内的信道(带宽只有15KHz)可看作水平衰落信道，MIMO 系统带来的额外复杂度可以控制在较低的水平（随天线数量呈线性增加）。
相对而言，单载波MIMO 系统的复杂度与天线数量和多径数量的乘积的幂成正比，很不利于MIMO 技术的应。
MIMO 系统在一定程度上可以利用传播中多径分量，也就是说MIMO 可以抗多径衰落，但是对于频率选择性深衰落，MIMO 系统依然是无能为力。
目前解决MIMO 系统中的频率选择性衰落的方案一般是利用均衡技术，还有一种是利用OFDM。
4G 需要极高频谱利用率的技术，而OFDM 提高频谱利用率的作用毕竟是有限的，在OFDM 的基础上合理开发空间资源，也就是MIMO-OFDM，可以提供更高的数据传输速率。
另外ODFM 由于码率低和加入了时间保护间隔而具有极强的抗多径干扰能力。
由于多径时延小于保护间隔，所以系统不受码间干扰的困扰，这就允许单频网络（SFN）可以用于宽带OFDM系统，依靠多天线来实现，即采用由大量低功率发射机组成的发射机阵列消除阴影效应，来实现完全覆盖。
1、多普勒频移设手机发出信号频率为fT，基站收到的信号频率为fR，相对运动速度为Ｖ，Ｃ为电磁波在自由空间的传播速度(光速)；fdoppler即为多普勒频移。
例360km/h车速，3GHz频率的多普勒频移：子载波间隔确定-多普勒频移影响￭2GHz频段，350km/h带来648Hz的多普勒频移，对高阶调制（64QAM）造成显著影响。
￭低速场景，多普勒频移不显著，子载波间隔可以较小￭高速场景，多普勒频移是主要问题，子载波间隔要较大￭仿真显示，子载波间隔大于11KHz，多普勒频移不会造成严重性能下降￭当15KHz时，EUTRA系统和UTRA系统具有相同的码片速率，因此确定单播系统中采用15KHz的子载波间隔￭独立载波MBMS应用场景为低速移动，应用更小的子载波间隔，以降低CP开销，提高频谱效率，采用7.5KHz子载波￭Wimax的子载波间隔为10.98KHz，UMB的子载波间隔为9.6KHz2、OFDM（1）OFDM技术的优势￭频谱效率高各子载波可以部分重叠，理论上可以接近Nyquist极限。
mimo的原理及应用
mimo的原理及应用1. MIMO的简介多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）是一种无线通信技术，通过在多个天线之间传输和接收数据，提高无线信号的传输效率和可靠性。
MIMO技术在现代无线通信系统中得到了广泛应用，包括LTE、Wi-Fi和5G等。
2. MIMO的原理MIMO技术基于空间分集原理，利用多个天线同时发送和接收独立的数据流，通过多径传播的特性，将数据流在空间中分离出来，从而提高信号的传输速率和抗干扰能力。
MIMO系统的原理可以简单描述为以下几个步骤：1.信号发射端：将要发送的数据流分为多个独立的子流，并通过不同的天线同时发送。
2.多径传播：由于无线信号在传播过程中会经历多条路径，每条路径上的传播特性不同，因此到达接收端的信号会被分为多个不同的子信号。
3.空间分离：接收端的天线接收到的信号会受到多径效应的影响，通过对接收信号进行处理，可以将各个子信号分离出来。
4.信号处理：接收端对接收到的子信号进行处理和解调，恢复原始数据。
3. MIMO的优势和应用MIMO技术具有以下几个优势，使其在无线通信系统中得到广泛应用：3.1 增强信号传输速率通过多个天线同时发送和接收多个子信号，MIMO技术可以大大增加信号的传输速率。
每个天线都可以发送不同的数据流，从而增加了系统的总传输能力。
3.2 提高系统容量和覆盖范围MIMO技术通过空间分集原理，可以在有限的频谱资源下提高系统的容量。
通过合理设计和布置天线，可以达到更好的信号覆盖范围，提供更稳定和高质量的无线通信服务。
3.3 抗干扰和抑制多径衰落由于MIMO系统利用了多个天线和多径传播的特性，可以利用接收信号的空间分离性质抑制干扰信号和多路径信号的衰落。
这使得MIMO系统在复杂的无线信道中具有较好的抗干扰能力和稳定性。
3.4 支持多用户和多任务传输MIMO技术可以同时为多个用户提供高速和可靠的无线通信服务，支持多用户之间的同时传输。
MIMO天线3种技术及应用场景分析
MIMO天线3种技术及应用场景分析0 前言多入多出（MIMO）系统指在发射端和接收端同时使用多个天线的通信系统。
研究证明，MIMO 技术非常适用于城市内复杂无线信号传播环境下的无线宽带宽带通信系统，在室内传播环境下的频谱效率可以达到20～40 bit/s/Hz；而使用传统无线通信无线通信技术在移动蜂窝中的频谱效率仅为1～5 bit/s/Hz，在点到点的固定微波系统中也只有10～12 bit/s/Hz。
通常，射频信号多径会引起衰落，因而被视为有害因素。
然而研究结果表明，对于MIMO系统来说，多径可以作为一个有利因素加以利用。
MIMO技术作为提高数据传输速率的重要手段得到人们越来越多的关注，被认为是新一代无线通信技术的革命。
1 MIMO系统的3种主要技术当前，MIMO技术主要利用发射分集的空时编码、空间复用和波束成型等3种多天线技术来提升无线传输速率及品质。
1.1 发射分集的空时编码基于发射分集技术的空时编码主要有2种，即空时分组码（STBC）和空时格码（STTC）。
虽然空时编码方案不能直接提高数据率，但是通过这些并行空间信道独立、不相关地传输信息，从而使信号在接收端获得分集增益，为数据实现高阶调制创造条件。
1.1.1 空时分组码（STBC）STBC在发射端对数据流进行联合编码以减小由于信道衰落和噪声所导致的符号错误率，它通过在发射端增加信号的冗余度，使信号在接收端获得分集增益，空时分组码是将同一信息经过正交编码后从多根天线发射出去。
MIMO系统的原理，传输信息流s（k）经过空时编码形成N个信息子流 ci（k），i=1，．．．，N。
这N个信息子流由N个天线发射出去，经空间信道后由M个接收天线接收。
多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流，从而实现最佳的处理。
特别是这N个子流同时发射信号，各发射信号占用同一频带，因而并未增加带宽。
若各发射接收天线间的通道响应独立不相关，则多入多出系统可以创造多个并行空间信道。
lte的原理及应用
LTE的原理及应用1. 引言近年来，随着移动通信技术的迅速发展，移动互联网的普及使得人们对于更快速、更稳定的网络连接有了更高的需求。
LTE（Long Term Evolution，长期演进）作为第四代移动通信技术，具备更高的数据传输速度、更低的时延以及更好的网络覆盖能力，成为了现代移动通信领域的主流技术。
2. LTE的原理LTE基于OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）技术，通过将数据分成多个子载波进行传输，实现高速数据传输。
其关键技术包括：2.1 多天线技术LTE系统中采用多天线技术，包括MIMO（Multiple Input Multiple Output，多输入多输出）和Beamforming技术。
MIMO技术允许同时使用多个发射天线和接收天线，通过空间复用和空间多路径效应提高了信号的传输速度和可靠性。
Beamforming技术则通过根据接收信道的信息对信号进行调整，使得信号传输更加稳定。
2.2 资源分配与调度LTE系统采用动态资源分配和调度技术，根据用户需求和网络状况动态分配网络资源，实现更好的网络性能。
资源分配包括频谱资源和时域资源的分配，调度算法根据用户的需求和网络负载情况，在空闲资源中为用户分配资源。
2.3 链路适应技术LTE系统通过链路适应技术，根据用户的信道条件和数据需求自适应地调整传输的调制方式和编码方式，从而在不同的信道条件下实现高效的传输。
3. LTE的应用LTE的高速数据传输和低时延特性使其在各个领域都有着广泛的应用，主要包括以下几个方面：3.1 移动通信LTE作为第四代移动通信技术，已在全球范围内广泛应用。
用户可以通过LTE网络实现高速的移动通信、视频通话、网络游戏等应用。
3.2 物联网物联网是指通过互联网将各类物品相互连接并实现信息的交互。
LTE的高速数据传输和低功耗特性，使得其成为连接物联网设备的理想选择。
MIMO技术
TDD的特有技术， 利用互易性得到信 道信息，准确的波 束赋型
LTE系统中的 复用 MIMO Precoding 方案 基于码本和公共导频
主要用于中低速的业务信道
分集 SFBC
基于空时编码
用于控制信道和高速业务信道
MIMO技术的分类
从MIMO的效果分类：
空间分集（Spatial Diversity）
观点：MIMO只能用于室内？MIMO只能用于微小区？ 对传统网规的挑战：选址的原则可能改变。
14
空间复用技术分类
解决空间复用适用性，灵活实现空间复用和空间分集/波束赋形的切换和整 合，需采用闭环自适应MIMO方法：
开环（Open-Loop）空间复用
不管信道条件，采用固定的复用流数。
17
波束赋形天线
18
防务技术中的波束赋形
19
波束赋形的分类
波束赋形包括：
动态波束赋形（俗称智能天线） 固定波束赋形（又称高阶扇区化）
20
波束赋形算法
和预编码技术相似，波束赋形系统的波束也是通过预编码方法生成的，但 和码本预编码MIMO不同，动态波束赋形的权值仅仅需要匹配信道的慢变 化，比如来波方向（Direction Of Arrival，DOA）和平均路损。因此生成 的是实际波束，而预编码技术生成的是虚拟的波束。 在TDD系统中，可以不依赖终端来反馈所需信息，来波方向和路损信息可 以在基站侧通过测量上行接收信号获得，比FDD系统更有利于波束赋形的 使用。
预编码配对
虚拟发射分集 虚拟天线选择
25
LTE系统对MIMO技术的使用
映射关系（Mapping）：
天线端口（Antenna Port） 层（Layer） 码字（Code Word） 4种技术
MIMO技术及其应用方案
MIMO技术及其应用方案摘要：MIMO技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破，它能在不增加带宽的情况下提高通信系统的容量和频谱利用率，是下一代移动通信系统中最富有竞争力的关键技术。
本文介绍了MIMO的技术原理及其在LTE空中接口的应用方案。
关键词：MIMO OFDM LTE一、引言随着无线通信技术的快速发展，频谱资源的严重不足已经成为无线通信的瓶颈。
如何充分利用有限的频谱资源，提高频谱利用率，是当前通信界研究的热点课题之一。
MIMO又称为多入多出（Multiple-Input Multiple-Output）系统，是指在发射端和接收端同时使用多个天线的通信系统，该系统采用空时处理技术进行信号处理，它能充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。
显示出明显的优势，被视为下一代移动通信的核心技术[1]。
OFDM作为多载波调制技术具有频谱利用率高、抗选择性衰落能力强等突出的优点，具有广阔的应用前景，被认为是第四代移动通信的支柱技术。
本文介绍了MIMO技术原理，给出了MIMO技术在LTE空中接口的应用方案，对促进下一代移动通信技术的发展有一定指导意义。
二、MIMO技术原理引入MIMO（Multiple-Input Multiple-Out-put）目的就是利用多天线来抑制信道衰落，提高无线信道容量和频谱利用率。
通常，多径要引起衰落，因而被视为有害因素。
然而研究结果表明，对于MIMO系统来说，多径可以作为一个有利因素加以利用。
图1所示为MIMO系统的原理图。
传输信息流S（k）经过空时编码形成N个信息子流Ci（k），i=1，……，N。
这N个子流由N个天线发射出去，经空间信道后由M个接收天线接收。
多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流，从而实现最佳的处理。
图1 MIMO系统原理特别是，这N个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并未增加带宽。
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法建立了一个MIMO实验系统
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第3章 MIMO多天线技术
➢ MIMO的引入
➢空间分集技术
➢MIMO空时编码技术
➢MIMO空间复用技术
➢MIMO预编码技术
➢MIMO与OFDM技术的结合
➢MIMO其他相关技术
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3.2 空间分集技术
3.2.1 分集技术概述
多径衰落：无线电波在传播过程中，由于受到周围 障碍物和反射体的反射、绕射和散射作用，所以接收端 接收到的信号是来自不同传播路径的多个信号的叠加。
MIMO技术利用空间的随机衰落和延迟扩展，对达到用户 平均吞吐量和频谱效率要求起着至关重要的作用，是实现高速 无线数据传输的关键技术。
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3.1 MIMO的引入
MIMO概述
多输入多输出(Multiple Input Multiple Output)技术 是一种用描述多天线无线通信系统的抽象数学模型。
3.2 空间分集技术
1
射频前端
2 射频前端
...
N 射频前端
选 择 合 输出信号 并 器
图3.5 选择合并方案图西安电子科技大学3.2 Nhomakorabea空间分集技术
(2) 最大比合并 最大比合并是一种线性合并方法，它对各路信号分别进
图3.4 MIMO系统
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3.2 空间分集技术
3.2.3 分集接收合并方法
分集接收即在接收端将不相关的信号副本进行组合。 常用的分集合并方法： 选择合并 最大比合并 等增益合并
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(1) 选择合并
接收机对多 个接收分支一直进 行扫描，从中选择 每个信号间隔处具 有最大瞬时信噪比 的信号作为输出信 号。
图3.1 频率分集接收示意图
1
相关带宽通常按下式计算：
其中， 为时延扩展。
Bc
2
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(3) 空间分集
3.2 空间分集技术
在移动环境中，同一时间不同地点的信号衰落是不同 的，当相距的距离足够远时，信号的衰落特性是相互独立的。 这种利用多径衰落空间独立性的分集方式称为空间分集。
不同天线信号的相关系数随着天线间距离的增加而呈 波动衰减。当相关系数小于0.2时，可以近似地认为两个信 号是不相关的。
1
发送信号 发送端 M 图3.3 MISO系统
...
接收信号 接收端
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3.2 空间分集技术
多输入多输出(MIMO) 系统： MIMO系统在无线链路的两端都使用多根天线，与SIMO
和MISO系统相比，可以取得巨大的信道容量。
1
发送 信号 发送 端
1
接收 信号 接收 端
... ...
M
N
空间分集分为分集发送和分集接收。
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3.2 空间分集技术
(4) 极化分集
定向双极化天线：把垂直极化和水平极化两副接收 天线集成到一个物理实体中，通过极化分集接收来达到 空间分集接收的效果。 双极化天线的要求： 空间上的位置分离 正交特性 水平跟踪特性 较高的交叉极化分辨率 隔离度
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3.2 空间分集技术
3.2.2 多天线分集技术
单输入多输出(SIMO) 系统：
采用接收分集技术，可以提高接收端的信噪比，从而提 高信道的信道容量和频谱利用率。
1
发送信号 发送端
接收信号 接收端
...
N
图3.2 SIMO系统
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3.2 空间分集技术
多输入单输出(MISO)系统 ： MISO系统采用发射分集技术，同样可以提高系统的性能。
➢空间分集技术
➢MIMO空时编码技术
➢MIMO空间复用技术
➢MIMO预编码技术
➢MIMO与OFDM技术的结合
➢MIMO其他相关技术
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3.1 MIMO的引入
20世纪80年代以来，无线移动通信发展迅速，由单 纯的模拟语音通信系统发展到数字语音、基于IP的多媒 体数据通信系统。
LTE项目是3G的演进，它改进并增强了3G的空中接 入技术，采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一 标准。
发射端：输入的串行码流通过某种方式（编码、调 制、加权、映射）转换成并行的多路子码流，通过不 同的天线同时同频发送出去。
接收端：利用信道传输特性与发送子码流之间一定 的编码关系，对多路接收信号进行处理，从而分离出 发送子码流，最后转换成串行数据输出。
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3.1 MIMO的引入
MIMO技术发展历史
LTE移动通信系统第3章 MIMO多天线 技术
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第3章 MIMO多天线技术
➢ MIMO的引入
➢空间分集技术
➢MIMO空时编码技术
➢MIMO空间复用技术
➢MIMO预编码技术
➢MIMO与OFDM技术的结合
➢MIMO其他相关技术
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第3章 MIMO多天线技术
➢ MIMO的引入
分集技术：接收端对收到的携带同一信息的多个衰 落特性相互独立的信号按一定规则进行合并，从而获得 信号噪声功率比的改善。
在无线移动通信中广泛使用分集技术来减小多径衰 落的影响。
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3.2 空间分集技术
(1) 时间分集
同一信号，多次发送，当两次发送信号的时间间隔足 够大时，每次发送信号的衰落将是相互独立的。通常要求 重传的时间间隔满足以下关系：
T
1 2fm
1
2v
f m 是最大多普勒频移，v 是移动速度， 是工作波长
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3.2 空间分集技术
(2) 频率分集
移动通信中，当频率间隔大于相关带宽时，两个信 号的衰落是不相关的。利用这种多径衰落的频率独立性 可以实现频率分集。
发送信号
发射机1 发射机2
f1
（
）
f2
接收机1 接收机2
接收信号
LTE系统可以实现上行峰值达到50Mbps、下行峰值 达到100Mbps的目标，极大的提高了传输速率和频谱利 用率。
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3.1 MIMO的引入
3GPP LTE/LTE-A国际标准中提出的几种研究方案和拟解决技术
MIMO增强技术 OFDM技术 多点协作(CoMP) 中继(Relay) 异构网络(HetNet)